某微型車發動機排氣管連接密封環結構優化

安豐明 房桂珍 杜克強

上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司 山東省青島市 266599

1 引言

隨著國家對排放要求的提高，尤其國六排放的限期實施，汽車制造企業都不得不采取各種解決方案來應對排放法規和整車油耗要求，其中對發動機的優化是不可避免的，如渦輪增壓器、缸內直噴、廢氣再循環等，在通過提高燃燒效率凈化排氣同時，發動機燃燒壓力和溫度會隨之提高，而溫度提高對發動機排氣系統產生負面影響，苛刻的高溫排氣使得排氣系統法蘭結合面的密封變得十分困難，而法蘭結合面泄漏不僅會引起用戶的質量抱怨，而且會影響排放和燃料消耗量不達標。本文就是在此背景下，對某微型車在市場使用過程出現了排氣系統密封環被燒蝕，引起漏氣故障的分析和改進。

2 市場故障現象

2.1 排氣系統泄露位置結構

圖1、圖2 所示

圖1 密封環密封位置外圖圖2 密封環密封結構剖解圖

2.2 市場上密封環燒蝕現象

a 密封環石墨層被發動機高溫氣體燒蝕，只剩不銹鋼骨架；圖3 所示。

圖3 密封環燒蝕只剩骨架圖片 圖4 壓縮彈簧長度衰減（中間）

b 壓縮彈簧長度衰減，對連接位置壓緊力降低。圖4 所示。

3 排氣岐管與三元催化器管連接位置密封介紹

3.1 發動機排氣岐管與三元催化器及消聲器的連接方式，根據發動機受力分析、噪音等因素決定選擇密封環結構的軟連接還是密封墊硬連接，基于以上考慮，本車型設計時發動機排氣岐管與三元催化器管連接部位采用了密封環軟連接，為了保證發動機的受力狀態，此連接方式不能從結構上進行替換，要解決市場密封環燒蝕的現象，只能在此結構基礎上進行優化改進。

3.2 密封環結構的密封面是一個動態的結合面，受高溫排氣影響會使排氣歧管受熱膨脹，又會因為溫度降低而收縮，使排氣管密封環的工作條件比較惡劣：有500-700 ℃的高溫、具備較大的耐磨和彈力、承受高溫氣體的壓力、高頻振動等。

3.3 密封環結構：環狀密封體由不銹鋼金屬絲構成環狀網結構體和膨脹石墨、云母等具有耐熱性與氣密性的無機材料壓縮為一體。

3.4 壓縮彈簧對密封環壓緊說明：

圖5

4 密封環燒蝕原因分析

4.1 密封環密封性耐久測試

a.開發一個可以模擬排氣管密封環在整車上的工作環境試驗臺，如圖6 所示，使密封環在高溫、高壓、震動的環境下測試其耐久性。

圖6 密封環密封性能耐久試驗臺

表1 試驗參數

5 總結

b.試驗及結果

根據常規工況開展臺架試驗，對彈簧進行700 ℃高溫耐久測試，試驗進行至700-800 萬次，如圖7 所示，震動頻次和泄露量系統開始出現漏氣，拆解后發現彈簧大端節距間隙幾乎為0mm，如圖8 所示與售后故障件表現一致，但密封環未出現燒蝕現象。

圖7 震動頻次和泄露量趨勢圖

圖8 試驗彈簧大段節距衰減為0

a.3.2 模擬試驗臺耐久試驗結果密封環并無損傷，彈簧壓緊力是引起密封壞損壞因素，但不是初始原因，對密封環環境溫度進一步分析。對該車型發動機在密封環位置的排氣溫度進行測試，密封環石墨層耐溫700℃，如圖9 所示，經測量，此車型發動機在高車速轉速區排氣溫度達900℃。

圖9

b.在試驗車上進行密封環壞路路試，經過2.3 萬公里實驗，如圖10 所示，密封環裸露在排氣管內部的小端開始出現燒蝕現象，確定高溫燒蝕是引起密封環燒蝕的導火索。

圖10

6 結論

測試結果顯示，引起此車型的密封環被燒蝕有2 個影響因素：

a.整車發動機在高車速狀態下工作，排氣管內的溫度會高于密封環石墨層承受溫度，導致裸露在排氣管內的密封環端部區域開始燒蝕；

b.壓縮彈簧在高溫環境下長期工作，長度出現衰減，導致壓縮力不足，對發動機排氣岐管和三元催化器管的連接力降低后，兩者動態撞擊加速了密封環石墨層的損壞。

7 解決方案與性能測試

7.1 針對壓縮彈簧長度衰減，從改進彈簧材質，提高壓縮彈簧彈簧力耐久性能入手，將材質由碳素彈簧鋼絲 65Mn-DGB437-89 改為不銹鋼：W200CU-1，對新狀態彈簧進行測試（新狀態彈簧材質中Cr/Mn 等含量高，耐熱性能更優），在900℃環境下1200 萬次未失效，估算整車行駛里程＞50000km，彈簧未出現明顯衰減，系統密封能力顯著提升。

表2 壓縮彈簧更改前后材質對比

圖11 新彈簧密封耐久試驗

圖12 新彈簧試驗后狀態

7.2 針對排氣管密封環石墨層高溫燒蝕現象，優化密封環的結果，將與密封環與發動機排氣岐管接觸面的石墨層取消，改為網狀不銹鋼骨架直接接觸，如圖13所示：

圖13

新結構密封環安排試驗車壞路上進行3萬公里路試，圖14 所示密封環沒有出現燒蝕現象。

圖14 新密封環路試3 萬公里后狀態

測試結果表明，通過更改壓縮彈簧材質及優化密封環石墨層的結構，可以大幅提高密封性能，新結構的密封環耐高溫性能大幅提升，能夠保證高溫連接徑向密封的可靠性。上述措施實施后，整車生產15 萬臺，12 個月后的市場表現，因此位置漏氣故障維修索賠率大幅下降，優化方案有效。